利用 Thermal Shift 分析探测底物与 Selenoprotein O 的结合

摘要

在这里，我们介绍了热位移测定，这是一种基于荧光的高通量技术，用于研究小分子与目标蛋白质的结合。

摘要

定义功能未知的蛋白质的生物学重要性对理解细胞过程构成了重大障碍。尽管生物信息学和结构预测有助于未知蛋白质的研究，但 体外 实验验证经常受到生化活性所需的最佳条件和辅因子的阻碍。辅因子结合不仅对某些酶的活性至关重要，而且还可能增强蛋白质的热稳定性。这种现象的一个实际应用在于利用热稳定性的变化（通过蛋白质熔解温度的变化来衡量）来探测配体结合。

热位移测定 （TSA） 可用于分析不同配体与目标蛋白质的结合，或找到稳定条件以进行 X 射线晶体学等实验。在这里，我们将描述一种利用假激酶硒蛋白 O （SelO） 的 TSA 方案，用于一种用于测试金属和核苷酸结合的简单且高通量的方法。与经典激酶相反，SelO 以倒置方向结合 ATP，以催化 AMP 在称为蛋白质 AMPylation 的翻译后修饰中将 AMP 转移到蛋白质的羟基侧链。通过利用熔解温度的变化，我们提供了对 SelO 功能背后的分子相互作用的重要见解。

引言

许多人类蛋白质组的表征仍然很差。Dunham 和 Kustatscher 等人描述的“路灯效应”是指广泛研究的蛋白质受到更多关注而忽视研究不足的蛋白质的现象 ^1,2。导致这种效果的因素包括某些蛋白质的生物学重要性和疾病相关性。此外，提供基础知识的先前研究以及功能分析工具的可用性进一步刺激了对高度研究的蛋白质的研究 ^1,2。Understudy Proteins Initiative、Structural Genomics Consortium 和 Enzyme Function Initiative 等项目旨在使用结构和功能蛋白质组学来表征研究不足的蛋白质 ^2,3,4。鉴定研究不足的蛋白质的分子功能的补充方法是检查这些蛋白质与小分子的相互作用，以获得对调节和底物特异性的宝贵见解。

小分子的结合可以增加蛋白质的热稳定性⁵.这种现象称为配体诱导的构象稳定，通常会导致蛋白质的熔解温度升高，从而提供配体结合的可测量指示⁶。蛋白质的热稳定性可以使用差示扫描荧光法 （DSF）（也称为 Thermofluor）或热位移法 （TSA）7,8,9,10 进行测量。在 TSA 中，蛋白质样品在环境敏感染料存在下经受升高的温度⁶。随着蛋白质的展开和变性，染料与蛋白质暴露的疏水区域结合并发出荧光。外源性荧光染料或环境敏感染料缺乏内源荧光，而是在与目标分子相互作用时发出荧光 ^9,11,12。最常用的染料 SYPRO Orange 具有多种优势，例如增强的稳定性和最小的背景荧光 ^8,9,12。值得注意的是，SYPRO Orange 的激发波长和发射波长分别约为 470 nm 和 570 nm，因此与实时聚合酶链反应 （RT-PCR） 系统兼容。这一独特功能可实现高通量、准确和灵敏的测量，与 RT-PCR 系统中常用的荧光检测系统兼容⁸。

TSA 是一种多功能工具，用于研究蛋白质与潜在辅因子或药物的相互作用，以及确定晶体学的稳定条件。与其他筛选方法相比，它的一些优点是设置相对简单，并且 96 或 384 孔板的通量高 13,14,15。该技术的发展对药物发现研究具有变革性作用，为离子、配体和药物等各种添加剂的研究提供了便利 ^6,16。此外，TSA 的适应性鼓励科学家扩大其用途，促进结合亲和力的测量以及筛选测定^17,18。TSA 是结构生物学研究中的一种有效工具，用于确定促进目标蛋白质稳定以结晶的条件¹⁹。因此，它的灵活性和相对简便性使 TSA 成为表征蛋白质的基础技术。在这里，我们将使用 TSA 来分析金属和核苷酸与研究不足的假激酶硒蛋白 O （SelO） 的结合，例如。

激酶是药物发现中最具靶向性的蛋白质家族之一²⁰。预计大约 10% 的人类激酶是无活性的，并被命名为假激酶，因为它们缺乏催化所需的关键催化残基^21,22。硒蛋白 O （SelO） 是一种进化上保守的假激酶，在催化 HRD 基序中缺乏保守的天冬氨酸²³。在真核生物中，SelO 定位于线粒体并保护细胞免受氧化应激^24,25。结构和生化分析表明，SelO 通过称为 AMPylation 的翻译后修饰将单磷酸腺苷 （AMP） 从 ATP 转移到蛋白质底物²⁵。最近的研究表明，催化 AMPylation 的酶可能在体外结合替代核苷酸，例如 UTP ^26,27。值得注意的是，研究表明，来自鼠伤寒沙门氏菌的 SelO 同源物以锰依赖性方式催化蛋白质 UMPylation 或 UMP 的转移²⁸。鉴于这些有趣的观察结果，我们在镁和锰存在下测试 SelO 与 ATP 和 UTP 的结合，作为 TSA 应用的代表性示例。以下方案可以很容易地进行调整，以优化和检查其他目标蛋白质和添加剂的相互作用。

研究方案

1. 实验设置

1. 使用可以检测荧光的热循环仪（例如 RT-PCR 仪器）执行所述方案。如果使用 SYPRO Orange，如本协议所述，请使用允许 470 nm 左右激发和 570 nm 附近发射检测的扫描模式。对热循环仪进行编程，使样品在 20 °C 下保持 2 分钟，然后将温度升高 0.5 °C/1 分钟至 95 °C;每 1 °C 测量一次荧光强度。
   注：我们建议在循环结束时执行一个可选步骤，将样品块返回到 20 °C（图 1）。
2. 每个反应包含四个组分：缓冲液、目标蛋白、添加剂和外源性荧光染料。设计实验以包括对照，例如无蛋白质、无染料、无添加剂的蛋白质和单独的添加剂，以确定可能影响结果解释的任何背景荧光。如果可用，包括阳性对照，例如已知可结合和稳定目标蛋白质的添加剂。
3. 使用纯化的蛋白质进行检测。为了遵循这个例子，使用大肠杆菌 SelO，如前所述表达和纯化^25,29。简而言之，在 Rosetta DE3 细胞中表达 His 相扑标记的 SelO （大肠杆菌 SelO ppSumo），并使用 Ni²⁺-NTA 亲和力对其进行纯化。使用 Ulp 蛋白酶切割 His-sumo 标签，并通过凝胶过滤色谱进一步纯化 SelO。
4. SYPRO Orange 的荧光将取决于其与目标蛋白的相互作用。由于这些相互作用会因蛋白质而异，因此优化蛋白质和染料浓度以获得荧光信号的最大信噪比。
   注：SYPRO Orange 与某些蛋白质和添加剂（如去污剂^11,30）不兼容。如有必要，可以筛选 ¹² 中列出的其他外源性染料。

2. 确定最佳染料浓度（图 2A）

1. 从储备溶液中制备 20 μL 50x、40x、30x、20x 和 10x SYPRO Orange 稀释液，该储备液在 DMSO 中以 5,000x 提供。
2. 将 8 μL 在 TSA 缓冲液中稀释的 6.25 μM 蛋白质分配到 384 孔 PCR 板的六个独立孔中。
   注：在我们的示例中，我们使用以下 TSA 缓冲液进行稀释：10 mM Tris pH 8、150 mM NaCl 和 1 mM DTT。样本可以一式三份运行，以提高结果的可靠性。
3. 向每个孔中加入 1 μL TSA 缓冲液。
   注：在优化染料和蛋白质浓度后，该体积的缓冲液将被添加的小分子代替。
4. 向每个孔中加入 1 μL SYPRO Orange 染料溶液的每种系列稀释液。向最终孔中加入 1 μL 不含染料的缓冲液，用于无染料对照。
5. 用光学透明胶膜覆盖板。
6. 在配备 PCR 板适配器的离心机中以 1,000 × g 的离心机短暂旋转板 1 分钟。
7. 将板放入 RT-PCR 机器中，然后开始步骤 1.1 中描述的热循环方案。

3. 最佳蛋白质浓度的测定（图 2B）

1. 使用 TSA 缓冲液（10 mM Tris pH 8、150 mM NaCl 和 1 mM DTT）制备 20 μL 25 μM、12.5 μM、6.25 μM、3.125 μM 和 1.56 μM 蛋白质的连续稀释液。
2. 将 8 μL 连续稀释的蛋白质分配到 384 孔板的 5 个独立孔中。
3. 仅在^{第 6 个} 孔中分配缓冲液作为无蛋白对照。
4. 向每个孔中加入 1 μL TSA 缓冲液。
   注：在优化染料和蛋白质浓度后，该体积的缓冲液将被添加的小分子代替。
5. 向每个孔中加入 1 μL 每种 50x SYPRO Orange 染料溶液。
6. 用光学透明胶膜覆盖板。
7. 在配备 PCR 板适配器的离心机中以 1,000 × g 的离心机短暂旋转板 1 分钟。
8. 将板放入 RT-PCR 机器中，然后开始步骤 1.1 中描述的热循环方案。

4. 设置 TSA 实验（图 3A）

注：优化蛋白质和 SYPRO Orange 染料浓度后，可以通过添加所需的小分子来进行测定以分析结合。

1. 通过考虑仿行和适当的控制来定义条件的数量。
   注意：例如，我们将一式三份测试 SelO 与 8 个条件的结合。包括对照（无添加剂、无蛋白质和无染料），我们有 11 个反应 x 3（一式三份）= 总共 33 个反应。
2. 根据观察到的 SelO 蛋白质和染料的最佳浓度，确保每个反应含有 8 μL 的 6.25 μM 蛋白质、1 μL 添加剂和 1 μL 的 50x SYPRO Orange 染料，总反应体积为 10 μL。因此，使用的最终浓度为 5 μM 蛋白质和 5x SYPRO Orange 染料。
3. 使用 TSA 缓冲液制备 288 μL 的 6.25 μM 蛋白质溶液。该体积的蛋白质工作溶液占 36 个反应（33 个反应，另外 10% 用于移液变化）。
4. 将 8 μL 6.25 μM 蛋白质分配到 384 孔板的单独孔中。仅为无蛋白对照分配缓冲液。
5. 加入 1 μL 10 倍浓度的小分子，以达到最终的 1 倍浓度。要遵循本例，添加 1 μL 20 mM MgCl₂ ，使终浓度达到 2 mM。仅针对无添加剂控制分配缓冲液。
6. 向每个孔中加入 1 μL 每种 50x SYPRO Orange 染料溶液。
7. 用光学透明胶膜覆盖板。
8. 在配备 PCR 板适配器的离心机中以 1,000 × g 的离心机短暂旋转板 1 分钟。
9. 将板放入 RT-PCR 机器中，然后开始步骤 1.1 中描述的热循环方案。

5. 数据分析

1. 从 RT-PCR 机器导出相对于温度 （°C） 的相对荧光单位 （RFU） 的数据。
2. 使用所选软件提取和绘制数据点，直至每条熔解曲线测得的最高强度。重要的是，确认无蛋白和无染料对照表现出低背景荧光，而荧光没有温度依赖性增加（图 3A、B 和 补充表 S1）。使用可免费访问的软件（如 MoltenProt³¹ 或 DSFWorld³²）进行数据分析。
3. 使用数据的 Boltzmann Sigmoidal Fit 确定熔解温度。熔解温度 （T_m） 定义为观察到 50% 变性或一半最大强度的温度（图 3C）。
4. 熔融曲线的热变化可能表明添加剂稳定或不稳定。要计算熔融温度 （T_m） 的变化，请使用以下公式： T_m = T_m 添加剂 _- T_m 缓冲液。正值描述稳定条件或相互作用的添加剂;负值描述不稳定的情况（图 3D）。

结果

真核生物 SelO 由一个 N 末端线粒体靶向序列、一个激酶样结构域和位于蛋白质 C 端的高度保守的硒代半胱氨酸组成²³。这种线粒体驻留酶编码一个假激酶结构域，该结构域从细菌到人类都是保守的²³。来自丁香假单胞菌的 SelO 同源物的结构分析揭示了活性位点的氨基酸改变，与经典激酶相比，这些改变促进了 ATP 以倒置方向结合

讨论

热位移测定 （TSA） 是筛选蛋白质-配体相互作用的有效方法，包括与辅因子和抑制剂的相互作用。在该方案中，我们使用 TSA 来测量假激酶 SelO 与核苷酸和二价阳离子的结合。我们的研究结果表明，SelO 在 ATP 和 Mg²⁺/Mn²⁺ 存在下表现出更高的热稳定性。这一观察结果与之前的报告一致，表明来自大肠杆菌、酿酒酵母和智人的 SelO 同源物催化 AMP ?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Adenosine 5′-triphosphate disodium salt hydrate	Sigma Aldrich	A2383-10G	used for representative results but not required to perfom TSA
Avanti J-15R with microplate carrier assembly	Beckman Coulter	C19416
CFX Opus 384 Real-time PCR system	Bio-Rad	12011452
Hard-Shell 384-Well PCR Plates, thin wall, skirted, clear/white	Bio-Rad	HSP3805
Magnesium Chloride	Sigma Aldrich	M8266-100G	used for representative results but not required to perfom TSA
Manganese (II) chloride tetrahydrate	Sigma Aldrich	M3634-500G	used for representative results but not required to perfom TSA
Microseal 'B' PCR Plate Sealing Film, adhesive, optical	Bio-Rad	MSB1001
SYPRO Orange Protein Gel stain	Sigma Aldrich	S5692-500UL
Uridine 5′-triphosphate trisodium salt hydrate	Sigma Aldrich	U6625-100MG	used for representative results but not required to perfom TSA